碳酸鈣于換熱表面結(jié)垢與物理抗垢的實驗及機理研究.pdf

1、換熱設(shè)備的污垢由于其存在的普遍性、危害的嚴(yán)重性及形成的復(fù)雜性成為傳熱學(xué)界十分關(guān)注而又沒能完全解決的主要問題之一。本文對循環(huán)水系統(tǒng)中碳酸鈣于換熱表面的結(jié)垢過程和物理抗垢(高壓靜電和低壓電子抗垢)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的實驗與機理研究，概括起來主要有以下幾項工作： 研發(fā)了一套污垢熱阻動態(tài)監(jiān)測實驗裝置。該套裝置實現(xiàn)了功能的多樣性，系統(tǒng)采用數(shù)據(jù)的自動采集和參數(shù)的自動控制，具有很好的操作性。根據(jù)傳熱學(xué)基本原理，對污垢熱阻動態(tài)監(jiān)測實驗裝置采用光滑管

2、進(jìn)行了強制對流換熱性能測試。結(jié)果表明，實驗段熱平衡偏差小于10％，實驗測試與根據(jù)經(jīng)驗公式計算的Nu數(shù)相吻合，最大偏差小于10％，證實了該裝置運行結(jié)果的穩(wěn)定性與可靠性。通過該裝置可以對污垢熱阻進(jìn)行自動監(jiān)測，能實時而準(zhǔn)確地記錄各種實驗條件下?lián)Q熱表面的污垢變化，使結(jié)垢性能測試與抗垢性能評定結(jié)果更全面。并且該套實驗裝置實現(xiàn)了結(jié)垢過程的可視化。 采用模擬硬水在污垢熱阻動態(tài)監(jiān)測裝置上對CaCO<,3>于換熱表面的結(jié)垢規(guī)律進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗研究

3、。實驗考察了不同流速、硬度、堿度及溫度等影響因素條件下?lián)Q熱表面的結(jié)垢過程，獲得了漸近形的污垢熱阻隨時間變化曲線。隨著流速的減小，流體溫度、換熱表面溫度、硬度、堿度的增大，結(jié)垢速率增大，結(jié)垢誘導(dǎo)期減小，漸進(jìn)污垢熱阻增大。污垢的性能參數(shù)p<,f>λ<,f>，在380～2600kg·W/(m<'4>·K)范圍內(nèi)變化，其數(shù)值隨速度的增大而增大，隨溫度、硬度及堿度的增大而減小。導(dǎo)熱系數(shù)λ，在1.7～2.2W/m·K范圍內(nèi)變化。 建立了碳酸

4、鈣于換熱表面結(jié)垢的傳熱傳質(zhì)模型。模型中不僅考慮了換熱表面的析晶污垢，同時也考慮了由于過飽和在溶液中成核而形成的顆粒污垢。對混合污垢的沉積與脫除分別予以表達(dá)，并將結(jié)垢過程的溶液及污垢特性應(yīng)用其中。另外，本模型還根據(jù)換熱器中垢層傳熱的特點綜合考慮了結(jié)垢與溫度場的耦合作用，得到了換熱表面污垢熱阻隨時間變化的數(shù)值。模型預(yù)測結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)吻合得較好，其中95％的偏差不超過15％，說明預(yù)測模型是正確可靠的。利用新模型模擬了各主要因素對結(jié)垢過程的影響

5、，并對污垢形成機理進(jìn)行了分析。 對高壓靜電抗垢進(jìn)行了靜態(tài)與動態(tài)實驗研究。從動態(tài)實驗看出在濃度不大，溫度不高的情況下，經(jīng)高壓靜電循環(huán)處理后的模擬硬水在換熱表面有較明顯的抗垢效果。高壓靜電場處理由于增大了水分子的偶極矩，水偶極子將水中陰、陽離子包圍，并按正負(fù)順序呈鏈狀整齊排列，使之不能自由運動，從而抑制了溶液中陰陽離子向換熱表面擴(kuò)散并反應(yīng)而形成水垢，表現(xiàn)為靜態(tài)實驗溶液鈣離子及電導(dǎo)率的增加。靜態(tài)實驗污垢晶體的掃描電鏡結(jié)果表明，較低溫度

6、下溶液經(jīng)高壓靜電處理后形成薄片狀污垢晶體，附著力減小，不易在換熱表面結(jié)垢：較高溫度下高壓靜電處理促進(jìn)污垢晶體的增長，溶液中的晶體與換熱表面爭奪溶液中的離子，從而起到抗垢的作用。另外，高壓靜電場對溶液處理存在一定的記憶效應(yīng)。 對低壓電子抗垢進(jìn)行了系統(tǒng)的實驗與機理研究。結(jié)果表明，低壓電子處理對換熱表面的結(jié)垢起到很好的抑制作用。本實驗條件下，較低溫度時，處理較高硬度的循環(huán)水，阻垢率也可超過90％；溫度較高時，只要水溶液中沒有懸浮顆粒，

7、較低的電流也可達(dá)到非常好的抗垢效果。低壓靜電抗垢能主動降低溶液的硬度、堿度、電導(dǎo)率及pH值。由于被處理水中有微電流的存在，在電極附近發(fā)生電化學(xué)發(fā)應(yīng)，有更多的垢質(zhì)在電極附近的溶液或處理器的陰極積聚并生長，而不是沉積在換熱表面，從而起到抗垢作用。處理器內(nèi)部低壓靜電場的存在進(jìn)一步增強了其抗垢效果。模擬工業(yè)水系統(tǒng)中大腸桿菌與碳酸鈣在換熱表面形成的混合污垢采用低壓電子處理方法進(jìn)行了實驗研究，結(jié)果表明該方法具有同時抗垢和殺菌的功效，所以低壓電子處理